西电模电低频电子线路第2章放大器课件.ppt

126,目 录,2.1 放大器概述 128,2.2 放大器基本分析法 158,2.3 晶体管偏置电路 198,退出,2.4 晶体放大器的三种基本组态 212,2.5 场效应管放大器 236,2.6 有源负载放大器 268,2.7 多级放大器 281,2.8 放大器的表示法 301,127,第二章作业(p94101),2-6(1)2-7 2-8 2-9 2-12 2-13 2-15 2-18*2-19 2-21 2-28 2-30,128,2.1 放大器概述,2.1.1 放大器的用途与分类,2.1.2 放大器的基本组成,2.1.3 放大器类型,2.1.4 放大器主要性能指标,2.1.5 放大器的传输特性,退出,返回,129,2.1.1 放大器的用途与分类,放大器：放大电信号的装置，是电子设备中应用最为广泛 的一种电路。,1.定义,实质:是一能量转换器。,用小的信号功率（电压、电流）去控制电源供给的直流功率，把它转换成负载所需要的大的信号功率(电压、电流)。,退出,返回,130,按器件分：,按用途分：,双极晶体管放大器、场效应管放大器、集成运算放大器等。,电压放大器、电流放大器和功率放大器等。,2.分类,2.1.1 放大器的用途与分类,退出,按工作频率分：,低频放大器、高频放大器和超高频放大器等。,按工作状态分：,甲(A)类放大器、乙(B)类放大器、甲乙(AB)类放大器、丙类(C)类放大器和丁(D)类放大器等。,131,由于本章采用的放大器件是晶体三极管和场效应管，它们均为非线性器件，为了满足不失真地放大信号的目的，必须给它们加上正确的偏置电路,即要有直流通路，保证在输入信号的范围内，它们均工作在线性区。,2.1.2 放大器的基本组成,退出,返回,132,常用符号的含义,(小写字母、大写下标):电压的瞬时值；(大写字母、大写下标):电压的直流成分；(小写字母、小写下标):交流电压的瞬时值；(大写字母、小写下标):交流电压的有效值；:的峰值或振幅。,信号的瞬时表达式为：,2.1.2 放大器的基本组成,退出,133,组成放大电路时应遵循的原则：,一、要有直流通路，并保证合适的直流工作状态，确保晶体三极管和场效应管工作在放大区。,二、要有交流通路，对于电压放大器，输入信号电压要能加入，输出信号电压要能取出。,2.1.2 放大器的基本组成,退出,134,典型的电容耦合共射放大器电路,us：信号源电压Rs：信号源内阻C1：输入耦合电容Rb：偏置电阻Rc：集电极电阻C2：输出耦合电容RL：负载电阻UCC：直流电源电压,2.1.2 放大器的基本组成,退出,135,直流通路,2.1.2 放大器的基本组成,退出,电容断开，电感短路,136,退出,2.1.2 放大器的基本组成,交流通路,电容短路，电源接地,137,从输出、输入信号角度看存在四种类型放大器。,2.1.3 放大器类型,退出,返回,138,1输入电阻Ri,定义：从信号源右边向放大器视入的电阻,意义：输入电阻的大小表明了放大器对信号源的影响程度。,2.1.4 放大器主要性能指标,注意：根据Ri的定义，显然Ri中不包含Rs。,输入电阻越大，放大器对信号源的影响越小，放大器取用信号源的电流越小；反之，则越大。,退出,返回,定义、意义、理解等效电路,输入为电压源时，输入电阻越大，对信号源的利用率也越高（如何理解这点）,139,意义：输出电阻大小反映了放大器带负载能力的强弱。输出电阻越大，放大器带负载能力越小；反之，则越大。（如何理解）,注意：根据Ro的定义，显然Ro中不包含RL。,2输出电阻,定义：从负载电阻 左边向放大器视入的等效电阻,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,140,（1）电压放大器,负载开路时的电压放大倍数,3.放大倍数,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,电压放大倍数,141,考虑信号源内阻时的电压放大倍数,也称源电压放大倍数,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,（1）电压放大器,3.放大倍数,142,电流放大倍数,功率放大倍数,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,（1）电压放大器,3.放大倍数,143,放大倍数常用dB(分贝)来表示，称为增益,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,（1）电压放大器,3.放大倍数,144,（2）电流放大器,负载短路时的电流放大倍数,电流放大倍数,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,3.放大倍数,145,电压放大倍数,考虑信号源内阻Rs时的电流放大倍数为,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,3.放大倍数,（2）电流放大器,146,负载RL开路时的互阻放大倍数,（3）互阻放大器,互阻放大倍数,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,147,（4）互导放大器,当考虑信号源内阻时，则,令,于是,互导放大倍数,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,148,4.通频带,下限频率,上限频率,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,意义：描述放大器对不同频率信号的放大倍数的均匀度,149,定义：放大器在线性区能输出的最大电压幅度 或最大电流幅度。,5最大输出幅度,与放大器直流工作状态、集电极电阻Rc、负载电阻RL和电源电压UCC等密切相关（如何相关）。,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,150,输出功率:是指放大器能够向负载提供的最大交流功率。,效率:,：直流电源供给功率,6输出功率 和效率,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,151,非线性失真：放大器中存在非线性器件晶体三极管（或场效应管），从而使输出信号与输入信号相比产生了畸变。,也称为谐波失真：若放大器输入信号为单一频率f的正弦波，则根据傅氏级数理论，输出应包含频率分量为f、2f、3f输入信号倍频的分量。频率为f的分量称为基波分量，频率为2f、3f分量统称为谐波分量。基波分量幅度最大。,7总谐波失真系数THD和噪声系数,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,总谐波失真系数,152,噪声系数定义,退出,2.1.4 放大器主要性能指标,7总谐波失真系数THD和噪声系数,153,2.1.5 放大器的传输特性（理解）,退出,返回,从图中能读出什么？,线性区,非线性区,同相或反相,输入信号范围,154,2.2 放大器基本分析方法,2.2.1 静态分析,2.2.2 动态分析,退出,返回,155,静态分析是对直流通路进行分析。,动态分析是对交流通路进行分析。,分析分为两部分：静态分析和动态分析。,退出,返回,2.2 放大器基本分析方法,什么是静态和动态？,分析的目标是什么？,156,注意：静态分析和动态分析对应的放大器通路不同，分析方法也不同，两类分析不能混淆，不能混用。,首先应知道放大器的直流工作状态后再作动态分析。,2.2.1 静态分析,退出,为什么要先做静态分析？,静态分析的目标是什么？,确定静态工作点 Q点,用什么方法？,解析法和图解法,157,工作在放大状态下的晶体三极管，发射结处于正偏，集电结处于反偏。晶体管导通时，有,硅管,锗管,常取,1解析法（公式法）,退出,2.2.1 静态分析,158,输入回路,2.2.1 静态分析,退出,159,输出回路,2.2.1 静态分析,退出,160,例2-1 某放大器的直流通路如图（a）所示，试用解析法求、的表达式。,解：将图（a）用戴维宁定理化简得图（b），图中,2.2.1 静态分析,退出,161,所以,2.2.1 静态分析,退出,162,需要特别注意的是,只有在满足一定条件时，才可以近似相等。,当,时,2.2.1 静态分析,退出,163,还有一点需要说明，上述的分析方法只适用于放大器工作在放大区的情况，也就是说需要事先假设放大器工作在线性状态，然后进行分析，最后再判断分析是否合理，例2-2就说明了这种情况。,2.2.1 静态分析,退出,164,电路如图所示，试分析晶体三极管的工作状态。,解：设三极管工作在放大区，则,例2-2,2.2.1 静态分析,退出,165,电源电压，,而,显然是不可能的。实际上，此时晶体三极管已不在放大区工作，故不能按放大区进行计算。那晶体三极管工作在何种区域呢？需要根据所加电压极性判断工作三极管的工作状态。,由图可知，为正，为正，此时放大器工作在饱和区。,2.2.1 静态分析,退出,166,因此，在使用解析法时必须注意一前提条件：三极管在放大状态工作。计算时，可以先假设工作在线性放大区，用解析法分析后，再看是否符合放大状态条件，不能计算完后就了事。,2.2.1 静态分析,退出,167,通过作图对各极电流、电压进行分析的一种方法。,这是一种普遍使用的方法，即无论管子工作在何种状态，均可用图解法分析。,2图解法,2.2.1 静态分析,退出,168,步骤为：,（1）画出直流通路;,（2）分别写出输入、输出回路的外 部条件方程;,（3）在输入、输出特性曲线上作出 外部条件方程,找出交点即为 静态工作点。,2.2.1 静态分析,退出,169,(1)输入回路,输入回路外部条件方程,输入特性曲线,外部特性,2.2.1 静态分析,退出,170,(2)输出回路,输出回路外部条件方程,输出特性曲线,直流负载线,2.2.1 静态分析,退出,171,根据已知的输入信号，求出各极电流、电压的波形，进而观察波形失真情况或求出电压放大倍数、电流放大倍数。,分析方法：图解法和微变等效电路法,2.2.2 动态分析,退出,返回,172,(l)作出输入回路的交流负载线求 波形,设输入信号,则,1图解法,如图，根据输入电压信号波形就可以对应画出电流波形。,Q点处，当输入信号幅度较小时，可以用切线代替输入特性曲线。,输入回路直流外条件方程，求Q点时用,退出,2.2.2 动态分析,173,由,得,于是,(2)输出回路的交流负载线 求，波形,式中,退出,2.2.2 动态分析,174,于是,过Q点作一斜率为 的直线，即为交流负载线。,退出,2.2.2 动态分析,175,交流负载线,直流负载线,退出,如图，根据输入电流信号波形就可以对应画出输出电流及电压波形。,2.2.2 动态分析,176,放大器各点波形,注意输出电压与输入电压的相位关系。,退出,2.2.2 动态分析,177,（3）最大不失真输出电压,截止失真,点位置偏低,输入信号较大,退出,2.2.2 动态分析,178,点位置偏高,输入信号较大,饱和失真,退出,2.2.2 动态分析,179,最大不失真输出电压幅度为,退出,2.2.2 动态分析,180,影响因素：,电阻、；,输入信号幅度；,电源电压。,、,退出,2.2.2 动态分析,181,基本思想：,用线性等效电路取代工作在线性放大状态的晶体三极管。,2H参数微变等效电路法,退出,2.2.2 动态分析,182,（1）H参数等效电路,微分,退出,2.2.2 动态分析,2H参数微变等效电路法,183,(单位为),(无量纲),共射接法输入开路时的电压反馈系数,共射接法输出短路时的输入阻抗,低频情况下约为0.3 3k,低频情况下约为10-4 10-3,退出,2.2.2 动态分析,（1）H参数等效电路,184,(单位为S),(无量纲),共射接法输出短路时的电流放大系数,共射接法输入开路时的输出导纳,低频情况下约为20 200,低频情况下约为5100S,退出,2.2.2 动态分析,（1）H参数等效电路,185,对于交流信号输入,退出,2.2.2 动态分析,（1）H参数等效电路,186,退出,2.2.2 动态分析,（1）H参数等效电路,187,因此,简化的H参数等效电路,忽略基调效应，即忽略 对 的影响，有,退出,2.2.2 动态分析,（1）H参数等效电路,188,电路如图所示，已知hie=1k，hre=0，hfe=50，,hoe=20S，,设、和 对交流可以认为短路，,试计算放大器主要性能指标、,和。,例2-3,退出,。,2.2.2 动态分析,189,解：画交流等效电路,退出,2.2.2 动态分析,190,由输出电阻的定义，画等效电路,退出,2.2.2 动态分析,191,对于本例，若采用简化的H参数等效电路，即忽略 的影响，则,由此可见，用简化H参数等效电路计算，误差很小，在工程上是允许的。,退出,2.2.2 动态分析,192,（）、（）,用H参数测试仪或利用晶体管特性曲线图示仪测量,（2）H参数的确定,通常不超过200,退出,2.2.2 动态分析,193,退出,2.2.2 动态分析,194,2.3 晶体管偏置电路,2.3.1 分压式偏置电路,2.3.2 电流源偏置电路,退出,返回,195,退出,2.3.1 分压式偏置电路,返回,196,2.3.1 分压式偏置电路,退出,197,由于引入了Re，稳定了工作点。,退出,2.3.1 分压式偏置电路,198,2.3.2 电流源偏置电路,1.基本电流源,图中两只三极管制造工艺和结构完全相同，即任何时候均有UBE1=UBE2,退出,返回,199,由于输出电流IC2与输入电流I相等，即构成一镜像关系，所以也称基本电流源为镜像电流源。,退出,2.3.2 电流源偏置电路,200,由基本电流源特性可知：当两管工作在放大区时，曲线并非水平，IC2随着UCE2的增大而稍有增大，并不是固定的，这说明镜像电流源不是恒流源。,退出,2.3.2 电流源偏置电路,201,2.威尔逊（Wilson)电流源,VT1和VT2构成了基本电流源，VT3是为了改进其性能而引入的。,退出,2.3.2 电流源偏置电路,202,退出,2.3.2 电流源偏置电路,203,当3只晶体管都工作在放大区时，输出电流IC3与U3无关。,退出,2.3.2 电流源偏置电路,204,3.微电流电流源,要求的输出电流较小时，应采用微电流电流源。,退出,2.3.2 电流源偏置电路,205,由图又有,则,只要给定 和，就可求出。,退出,2.3.2 电流源偏置电路,206,解：,例2-4 图所示电路中，已知，,，求,(基极电流可忽略不计)。,退出,2.3.2 电流源偏置电路,207,4.比例电流源,两管特性相同时有,退出,2.3.2 电流源偏置电路,208,2.4 晶体管放大器的三种基本组态,2.4.1 共射（CE）放大电路,2.4.2 共基（CB）放大电路,2.4.3 共集（CC）放大电路,2.4.4 三种放大电路的性能比较,2.4.5 射极带有电阻的共射放大器,退出,返回,209,哪个极为输入电路和输出电路的公共端即称为共什么极电路,共射(Common Emitter简写为CE),共基(Common Base简写为CB),共集(Common Collector简写为CC),2.4 晶体管放大器的三种基本组态,退出,210,2.4.1 共射（CE）放大电路,退出,返回,211,1.电流放大倍数,退出,2.4.1 共射（CE）放大电路,212,2.输入电阻,退出,2.4.1 共射（CE）放大电路,213,3.中频电压放大倍数 和,当,则,说明改变IEQ(ICQ)即可改变电压放大倍数。,退出,2.4.1 共射（CE）放大电路,214,如果晶体管hoe不可忽略，则,4.输出电阻,退出,2.4.1 共射（CE）放大电路,215,2.4.2 共基（CB）放大电路,退出,返回,216,1.电流放大倍数,退出,2.4.2 共基（CB）放大电路,217,2.输入电阻,退出,2.4.2 共基（CB）放大电路,218,3.中频电压放大倍数、,其中,2.4.2 共基（CB）放大电路,退出,219,4.输出电阻,2.4.2 共基（CB）放大电路,退出,220,考虑 时,退出,2.4.2 共基（CB）放大电路,221,2.4.3 共集（CC）放大电路,退出,返回,222,1.电流放大倍数,退出,2.4.3 共集（CC）放大电路,223,2.输入电阻,2.4.3 共集（CC）放大电路,退出,224,3.中频电压放大倍数、,2.4.3 共集（CC）放大电路,退出,225,4.输出电阻,所以,2.4.3 共集（CC）放大电路,退出,226,如果电流源不为恒流源，而有一内阻，则,2.4.3 共集（CC）放大电路,退出,227,大,大,大,小,小,中,小,大,小,大,2.4.4 三种放大电路的性能比较,退出,返回,228,例2-5,发射极带有电阻的共射放大器如图所示。已知:I=2mA，=100，=100，C1、C2对交流可以认为短路。试用简化的H参数等效电路计算放大器主要性能指标、和。,2.4.5 射极带有电阻的共射放大器,退出,返回,229,解:放大器的简化H参数等效电路，如图所示。,由图可得,2.4.5 射极带有电阻的共射放大器,退出,230,所以,2.4.5 射极带有电阻的共射放大器,退出,231,当,则,退出,232,2.5 场效应管放大器,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,2.5.2 动态分析,退出,返回,233,两种器件的工作原理不同，不能简单地用场效应管取代晶体三极管，特别应注意偏置电路和微变等效电路的区别。,退出,2.5 场效应管放大器,234,静态电压 为,1固定偏压电路,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,解析法求解静态工作点,退出,返回,235,直流负载线方程,图解法求解静态工作点,退出,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,236,直流偏置电压线方程为,作图即求出UGSQ、IDQ,退出,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,2自偏压电路,237,联立解方程组可以得到UGSQ、IDQ。,退出,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,解析法,238,增强型场效应管，不能采用自偏压电路。,只有栅源电压达到开启电压时才有漏极电流,自偏压电路与固定偏压电路相比有稳定工作点的作用,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,退出,239,退出,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,3.混合偏置电路,包括了自偏压和固定偏压,混合偏置电路不仅适用于增强型MOSFET,也适用于耗尽型MOSFET及JFET。,240,4恒流源电路,基本电流源（镜像电流源）,多路输出电流源,威尔逊电流源,退出,2.5.1 直流偏置电路与静态分析,241,1FET微变等效电路,(1)JFET等效电路,进行全微分，得,退出,2.5.2 动态分析,242,JFET交流小信号等效电路,退出,2.5.2 动态分析,243,rgs是JFET栅、源间的交流输入电阻，一般外电路栅、源之间的电阻比rgs小得多,故可以不予考虑rgs。,退出,2.5.2 动态分析,244,(2)MOSFET等效电路,退出,2.5.2 动态分析,245,对正弦信号输入，有,退出,2.5.2 动态分析,246,2共源电路,退出,2.5.2 动态分析,247,退出,2.5.2 动态分析,248,通常有,于是,退出,2.5.2 动态分析,249,3共漏电路(源极跟随器),退出,2.5.2 动态分析,250,退出,2.5.2 动态分析,251,输出电阻等效电路,退出,2.5.2 动态分析,252,4源极接电阻的共源放大器,退出,2.5.2 动态分析,253,受控电流源支路改为电压源形式,退出,2.5.2 动态分析,254,退出,2.5.2 动态分析,255,输入电阻,因此,退出,2.5.2 动态分析,256,分析输出电阻的电路,退出,2.5.2 动态分析,257,2.6 有源负载放大器,2.6.1 有源负载,2.6.2 有源负载双极晶体管放大器,2.6.3 场效应管有源负载放大器,退出,返回,258,2.6.1 有源负载,晶体三极管（场效应管）或电流源电路,大的交流负载电阻，小的直流电阻。,退出,返回,为什么用有源负载？,259,举例,2.6.1 有源负载,退出,260,、组成偏置电流源,组成共射放大器,对直流呈现小电阻对交流呈现大电阻,2.6.2 有源负载双极晶体管放大器,大大提高了电压放大倍数，而又不需要选用很高的电源电压。,退出,返回,261,在放大区小信号工作时,2.6.2 有源负载双极晶体管放大器,退出,262,CS,CG,CD,2.6.3 场效应管有源负载放大器,退出,返回,263,1共源接法有源负载放大器,互补MOS(CMOS)有源负载共源放大器,VT2和VT3构成基本电流源，作为VT1的负载。,退出,2.6.3 场效应管有源负载放大器,264,2.共栅接法有源负载放大器,CMOS有源负载共栅放大器,VT2和VT3构成基本电流源，作为VT1的负载。,退出,2.6.3 场效应管有源负载放大器,265,放大倍数,退出,2.6.3 场效应管有源负载放大器,266,退出,2.6.3 场效应管有源负载放大器,输入电阻,267,3共漏接法有源负载放大器,CMOS有源负载共漏放大器,VT2和VT3构成基本电流源，作为VT1的负载。,退出,2.6.3 场效应管有源负载放大器,268,式中，。,退出,2.6.3 场效应管有源负载放大器,放大倍数,269,计算输出电阻的等效电路如图(a)所示，图中 变形后得图(b),退出,2.6.3 场效应管有源负载放大器,输出电阻,270,2.7 多级放大器,2.7.1 耦合方式,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,退出,返回,271,电容耦合,直接耦合,变压器耦合,常见的三种耦合方式：,2.7.1 耦合方式,退出,返回,272,各级静态工作点是互不影响、各自独立的；只要信号频率不是太低，耦合电容的容量足够大，就可使信号顺利通过。,在分立元件电路中获得了广泛的应用。,1.电容耦合,2.7.1 耦合方式,退出,273,放大器的下限频率为零。各级间直流工作状态互相影响。,集成电路中广泛应用。,2.直接耦合,2.7.1 耦合方式,退出,274,功率放大器有时采用。,可根据需要恰当地选择初级与次级的匝数比，实现阻抗变换。但变压器体积、重量都比较大，频率特性差，应用较少。,3.变压器耦合,2.7.1 耦合方式,退出,275,1输入电阻,由图可知,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,退出,返回,276,2电压放大倍数 和,多级放大器的电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,277,3输出电阻,电流放大倍数,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,278,例2-7,电路如图所示，已知,计算：,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,279,解:图中所示的两级放大器第一级是射极跟随器，第二级是共射放大器。,(1)计算,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,280,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,281,(2)计算 和：,(实际上 组成射随器可以认为,而不必计算。),退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,282,(2)计算 和：,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,283,(3)计算：,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,284,例2-8,一两级放大器的原理电路图如图所示,求、和 的表达式。,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,285,解:该电路的交流通路如图所示，放大器为CE-CB组态由图可知,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,286,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,287,图为场效应管和硅三极管组成的两级放大电路,已知：,例2-9,计算、和,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,288,解:由图可知，VT1为CD接法，VT2为CE接法。,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,289,实际上可以认为，而不必计算。,没有告知，可以认为。,退出,2.7.2 多级放大器性能指标的计算,290,2.8 放大器表示法,退出,返回,291,2.8 放大器表示法,退出,292,本章小结,放大器的构成（基本知识）,放大器的直流通路、交流通路、微变等效电路（掌握）,放大器的静态分析（目的、方法、意义）（掌握）,放大器的动态分析（目的、方法）（掌握）,放大器的偏置电路（结构、作用）（理解）,多级放大器（耦合方式构成、特点）,